FCTEM60-1型瞬變電磁儀在隧道仰拱鋼筋施作情況檢測中的應用*

季洪偉，劉秋卓，袁 超，李 科

招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067

仰拱是公路隧道的重要組成部分，也是隧道整體結構的基礎，可用于改善隧道上部支護結構的受力條件，通常設置在隧道底部的反向拱形結構中。隧道仰拱是隧道結構的主要組成部分，它可以將隧道上部的地層壓力通過隧道的邊墻結構或者路面上的荷載有效傳遞到地下，同時還能有效抵抗隧道下部地層傳來的反向壓力。隧道仰拱與二次襯砌所構成的隧道整體，增加了隧道結構的穩定性。但在實際的工程建設中，技術人員往往由于對仰拱的認知和重視程度不足，對隧址區的地質條件不夠了解，造成隧道仰拱結構存在各類型缺陷，導致隧道出現結構失穩、路面沉陷或隆起、開裂、翻漿冒泥等多種病害，因此對隧道仰拱進行無損檢測工作格外重要，可以幫助建設單位控制仰拱施工質量，保障隧道運營安全，節約因病害處治工作產生的養護成本。

目前工程上通常采用地質雷達方法對隧道仰拱進行檢測。大量事實證明，地質雷達的檢測效果往往受現場情況及仰拱自身設計參數的影響較大，并且由于地質雷達采用電磁波原理的技術特性，雖然有不同頻率的天線可供選擇，但其探測深度與分辨率互相制約，高分辨率的電磁波在仰拱淺部損耗嚴重，而低頻電磁波雖然穿透深度大，但分辨率不高。這就造成了檢測人員在使用雷達進行仰拱質量檢測時，當遇到仰拱深度較深，或者淺部回填層部分虛渣較多的情況時，感應電磁波在淺部的損耗過大，無法正確判斷仰拱結構中鋼筋的施作情況，也無法達到仰拱質量無損檢測的根本目的。

文章以隧道仰拱結構中的鋼筋施作情況檢測為研究背景，采用瞬變電磁法對隧道仰拱結構中的鋼筋施作情況進行檢測，以此彌補既有檢測方法中的不足，提高仰拱質量檢測工作的可靠性。

1 瞬變電磁法

1.1 基本原理

瞬變電磁法（TEM）屬于時間域人工源電磁方法，是以大地中巖（礦）石的導電性和導磁性為物性前提，根據電磁感應原理觀測、研究電磁場空間和時間分布規律，以尋找地下良導礦體或解決相關地質問題的一種勘察方法。該方法以不接地回線或接地長導線供以雙極性脈沖電流產生激發電磁場，激發電磁場隨時間產生的電場強度如圖1所示。在該電磁場的激勵下，導電地質體受感應而產生渦旋電流。由于導電地質體是非線性的，脈沖電流從峰值躍變到零，一次磁場立即消失，而渦流并不立即消失，有一個瞬變過程，這個過程的快慢與導體的電性參數有關。地質體的導電性越好，渦流的熱耗損越小，瞬變過程則越長。這種渦流瞬變過程，在空間形成相應的瞬變磁場如圖2所示，脈沖電流關斷期間在地面觀測瞬變磁場及觀測二次磁場可發現地下異常地質體的存在，從而確定地下導體的電性結構和空間分布形態。一次電場產生渦流并形成瞬變電磁場過程示意圖如圖3所示。

圖1 激發電磁場隨時間產生的電場強度

圖2 接受線圈觀測到的二次感應磁場

圖3 一次電場產生渦流并形成瞬變電磁場過程示意圖

1.2 傳統方法存在的技術缺陷

根據瞬變電磁法的理論依據，該方法原理上可以實現近地表的勘探工作，但是目前國內外的儀器主要針對礦產勘探，均存在一定的關斷時間，存在淺層勘探盲區。由于發射電路的關斷時間通常會有幾十微秒到幾百微秒，造成接收裝置所測量的瞬變電磁信號在相當長的一段時間內會受到其發射電流的影響，從而使結果產生畸變，不能用于解釋。因此，實際探測工作中，檢測人員會舍棄這段畸變的早期信號，只記錄徹底關斷之后的晚期信號，這就限制了淺層探測能力，使得探測存在盲區。

1.3 瞬變電磁方法新技術的介紹

該研究采用的是重慶大學研究開發的FCTEM60-1型瞬變電磁儀，該儀器在系統操作性能、高速關斷技術、高動態信號采集、GPS同步控制、有源磁探頭設計等方面都有著顯著的技術優勢。特別是該儀器的恒壓鉗位高速關斷技術，該技術的發射電路框如圖4所示，發射電路的組成部分包括全橋電路、鉗位電路、直流穩壓電源。在脈沖電流輸出時，全橋電路進行正向供電，同時停止鉗位電路的工作，負載電壓等于供電電源的電壓；而在停止供電時，鉗位電路發揮其作用，使負載電壓等于鉗位電壓源的電壓，此時負載電流線性下降。在此次試驗中，采用的發射電流為60A，發射線圈直徑為45cm，發射線圈匝數為24匝，關斷延時為70μs。

圖4 恒壓鉗位發射電路框圖

2 隧道仰拱質量檢測工程現場試驗

2.1 工程現場試驗情況概述

該工程位于重慶市區，在某隧道的洞口進入段和隧道內部分別選取42m和32m進行測量，按照點測的方式，每隔2m進行一次測量，對比隧道入口和內部地下仰拱鋼筋的分布情況。

第一次試驗測線1的俯視圖如圖5所示，試驗儀器在洞外檢測測線長度為16m，在洞內檢測測線長度為26m。之所以此次試驗要在洞外與洞內各檢測一段，是因為瞬變電磁方法存在全空間和半空間兩種不同的情況，在全空間中，因為隧道路面上方同樣屬于隧道的結構物，所以需要了解上方結構物對試驗檢測過程的影響，從而判定試驗結果。試驗現場測線1起始處現場圖如圖6所示。

圖5 測線1俯視圖

圖6 測線1起始處現場圖

測線2的俯視圖如圖7所示，測線經過了有仰拱的段落16m，無仰拱的段落14m，圖中陰影區域位置為地面少量積水區域，測線2經過的降塵霧炮機現場位置圖如圖8所示。

圖7 測線2俯視圖

圖8 測線2經過的降塵霧炮機現場位置圖

2.2 工程現場試驗結果

試驗中，測線1長度為42m，沿測線方向每隔2m為一個測點，共測得22個點。測線2長度為30m，沿測線方向每隔2m為一個測點，共測得16個點。測線1成像圖如圖9所示。

圖9 測線1成像圖

由于測線1前半段（測點1～8）分布在隧道洞口前方的橋上，其底部為軌道交通高架橋且深度較淺，表現為局部低阻。后半段（測點9～22）為隧道進入段且底部無鋼筋，表現為高阻，表層視電阻率在2000Ω·m以上。

測線2成像圖如圖10所示，由圖10可知，前半段（測點1～9）在隧道正洞內測量，底部有鋼筋，且有仰拱。后半段（測點10～16）也在隧道內測量，沒有仰拱，但路面鋪設有鋼板，且后半段測量過程中有一降塵霧炮機一直處于工作狀態，導致空氣中有大量水霧，且地表含水豐富，對測量的影響較大，因此其視電阻率相對于前半段較低。從綜合測線1后半段（底部無鋼筋）和測線2前半段（底部有鋼筋）來看，測線2前半段的表層視電阻率在1600Ω·m左右，相對于測線1后半段的2100Ω·m仍然較小。

圖10 測線2成像圖

2.3 試驗結論

通過試驗研究發現，在地下有低阻體與無低阻體兩種情況下，視電阻率會表現出較大差別，且可實行淺部信息的分辨，符合隧道仰拱探測的技術要求。對于地下視電阻率較為均勻的地段，可推測地下鋼筋分布也較為連續，但對于地下鋼筋分布不均的情況，成像結果如何有待進一步驗證。試驗中隧道附近的風機房、值班室等結構物的存在對試驗的結果幾乎沒有影響，可見該方法對于隧道內的檢測環境具有一定的適應性，但對于過多干擾物的存在，其抗干擾能力還有待驗證。通常運營隧道的環境中干擾物較少，因此該試驗中的仰拱結構鋼筋檢測法具有一定的可行性。

3 結束語

由于瞬變電磁法探測的是導體內渦流場的過渡過程，觀測是在脈沖間歇期間進行的，不存在一次場源的干擾，同時通過開發者自主研發的弱感應線圈技術，可在一定程度上消除線框自感互感效應，使觀測參數幾乎為純二次場，是包括地質雷達法在內的各類型電磁勘探方法中唯一可采用同點裝置的方法，探測目標耦合最緊，獲得的響應最強，磁性源激發，不受接地條件限制。該方法非常適合在運營隧道中的混凝土瀝青路面或水泥路面的無損勘探工作中應用，且其非接觸式的勘探特點非常符合現代公路工程無損快速檢測技術的發展趨勢，具有一定的前沿性。

該研究中基于FCTEM60-1型瞬變電磁儀的恒壓鉗位高速關斷技術的成功應用，成功解決了傳統瞬變電磁方法中地下淺部盲區的問題，驗證了瞬變電磁法在公路工程檢測工作中的適用性，利用其早期信號的解讀可充分分析淺層位置的視電阻率差異，且不會存在雷達探測時因電磁波頻率的不同，造成的探測精度與探測深度成反比的情況。綜上所述，該瞬變電磁儀不僅可以對公路隧道仰拱鋼筋施作情況進行檢測，還能夠在公路工程無損檢測工作中發揮出更大的發展潛力，幫助解決更多的公路工程質量檢測問題。